Рабочие нагрузки искусственного интеллекта (ИИ) продолжают менять инфраструктуру центров обработки данных. Повышение производительности процессоров и ускорителей предъявляет растущие требования к пропускной способности, энергоэффективности и возможностям подключения в масштабируемых системах. Традиционные электрические межсоединения всё хуже справляются с этими задачами. Фотоника становится критически важной технологией для высокоскоростной и энергоэффективной передачи данных, а также для масштабирования инфраструктуры ИИ нового поколения.

Такие компании, как iPronics — которая занимается развитием технологии коммутации оптических каналов для сетей ИИ и дата-центров — и Alcyon Photonics — которая специализируется на фотонных строительных блоках и подсистемах для оптической связи — используют программное обеспечение для моделирования Ansys Lumerical, чтобы ускорить разработку этих оптических инноваций. Объединяя инструменты физического проектирования фотоники с вычислениями на базе графических процессоров (GPU), обе организации сокращают циклы разработки, повышают производительность устройств и помогают быстрее выводить на рынок решения для оптических сетей нового поколения.

iPronics: моделирование интеллектуальной оптической коммутации для сетей ИИ

Для iPronics моделирование является фундаментальной частью разработки технологии коммутации оптических каналов (OCS), которая призвана повысить эффективность и масштабируемость сетей центров обработки данных. Оптическая коммутация стала перспективной альтернативой традиционной электронной коммутации, поскольку она позволяет снизить энергопотребление и одновременно обеспечить более высокую пропускную способность соединений между растущими кластерами графических процессоров.

«Моделирование играет ключевую роль в разработке технологии OCS для дата-центров», — говорит Ирэна Аюсо (Irene Ayuso), руководитель направления PDK в iPronics. Компания использует инструмент проектирования оптических волноводов Ansys Lumerical MODE, усовершенствованное программное обеспечение для трехмерного электромагнитного моделирования методом конечных разностей во временной области (FDTD) Ansys Lumerical FDTD, программное обеспечение для моделирования охлаждения электроники Ansys Icepak и программное обеспечение для моделирования оптоэлектронных компонентов Ansys Lumerical Multiphysics для проектирования и оптимизации каждого фотонного компонента в своей коммутационной платформе.

«Для разработки таких критически важных функций, как ввод излучения, разделение, управление поляризацией и сдвиг фазы, требуются сотни симуляций», — говорит Аюсо. «Благодаря моделированию мы можем оценить оптические, тепловые и электрические характеристики задолго до начала производства, что значительно снижает риски разработки и время валидации».

Моделирование дает iPronics возможность оценить сотни вариантов конструкции и найти оптимальный баланс между производительностью, технологичностью и надежностью. Вместо того чтобы полагаться на множество циклов изготовления для проверки проектов, инженерные команды могут прогнозировать поведение устройств в цифровом виде, снижая как риски разработки, так и время выхода на рынок.

По мере роста инфраструктуры ИИ такие рабочие процессы приобретают все большее значение. Современные архитектуры оптической коммутации включают в себя сложные взаимодействия между оптикой, электроникой и тепловыми эффектами. Используя моделирование для понимания этих взаимодействий на ранних этапах процесса проектирования, iPronics может повысить успешность разработки с первой попытки и ускорить развертывание технологий, соединяющих крупномасштабные кластеры GPU.

— Ирэна Аюсо (Irene Ayuso), руководитель направления PDK в iPronics

Графическое ускорение обеспечивает более быстрые циклы проектирования

Масштаб и сложность фотонных симуляций обуславливают растущую потребность в высокопроизводительных вычислениях. Многие оптические компоненты, разрабатываемые iPronics, требуют полноразмерных трехмерных симуляций FDTD, которые относятся к числу наиболее ресурсоемких электромагнитных расчетов в инженерии.

Запуская Ansys Lumerical FDTD с ускорением NVIDIA CUDA на графических процессорах NVIDIA H100 в облачной среде AWS, компания iPronics добилась выдающегося прироста производительности. Решатель FDTD работал в 11–13 раз быстрее по сравнению с 96-ядерной средой центрального процессора (CPU). Для оптимизации краевого соединителя 20-точечный перебор параметров, который раньше занимал около девяти дней, теперь выполняется примерно за 18 часов. Пропускная способность ячеек увеличилась примерно с 2,3–2,6 млрд ячеек в секунду на CPU до примерно 29–31 млрд на GPU. Результатом стали значительно возросшая скорость моделирования, более быстрое итеративное проектирование и существенно сниженные вычислительные затраты.

«Мы выполняем очень большой объем симуляций для создания оптимизированных и надежных конструкций, поэтому графическое ускорение кардинально изменило скорость исследования и проверки компонентов», — говорит Аюсо. «Это драматически увеличивает производительность моделирования, позволяя нам исследовать обширные пространства проектных параметров с помощью масштабного перебора и затем проверять самые перспективные решения с помощью высокоточных симуляций. В результате мы получаем гораздо более четкое понимание чувствительности конструкций и компромиссов в производительности».

Эти преимущества позволяют инженерам проводить более масштабный перебор параметров, оценивать больше альтернативных вариантов и оптимизировать сложные фотонные структуры гораздо быстрее, чем раньше. Вместо того чтобы ждать результатов симуляции сутками, команды могут проводить итерации практически в реальном времени, ускоряя инновации и сокращая затраты на разработку. Для дата-центров ИИ это означает более быструю поставку оптических технологий, необходимых для поддержки все более плотного размещения графических процессоров.

Alcyon: создание оптической основы для связи в дата-центрах

Alcyon специализируется на разработке фотонных строительных блоков, которые делают возможными передовые технологии оптической связи. Компания разрабатывает такие компоненты, как многомодовые интерферометры (MMI), направленные ответвители, мультиплексоры, устройства управления поляризацией и другие интегрированные фотонные подсистемы, используемые в оптических трансиверах и сетевом оборудовании.

Моделирование играет центральную роль в методологии проектирования Alcyon. Инженеры используют передовое электромагнитное моделирование и специфичные для фабрик технологические симуляции для оценки того, как устройства будут работать в реальных производственных условиях. Это позволяет компании анализировать допуски при изготовлении, чувствительность к юстировке, оптические потери и характеристики по длине волны еще до выпуска каких-либо физических прототипов.

«Использование Ansys Lumerical стало основой для проектирования и разработки фотонных строительных блоков и подсистем, которые составляют ядро бизнеса Alcyon Photonics», — говорит Панайот Зотев (Panaiot Zotev), технический руководитель направления строительных блоков в Alcyon.

Одним из ключевых преимуществ такого подхода является возможность создания высокоточных компактных моделей, которые можно интегрировать в более крупные фотонные схемы и системы. Эти модели помогают клиентам разрабатывать все более сложные оптические архитектуры, сохраняя уверенность в том, что конструкции будут работать должным образом после изготовления.

Для приложений центров обработки данных этот процесс, основанный на моделировании, особенно важен. Кластеры ИИ требуют оптических межсоединений, которые отличаются высокой эффективностью, надежностью и масштабируемостью. Виртуально проверяя конструкции, Alcyon может оптимизировать производительность и улучшить технологичность производства, одновременно сокращая сроки разработки.

«Использование Ansys Lumerical стало основой для проектирования и разработки фотонных блоков и подсистем, которые составляют основу бизнеса Alcyon Photonics».

—Панаиот Зотев (Panaiot Zotev), технический руководитель направления строительных блоков в Alcyon.

Ускорение фотонных инноваций с помощью графических процессоров

Alcyon также получает выгоду от распространения симуляций с ускорением на GPU. Традиционные фотонные симуляции часто требуют огромных вычислительных ресурсов и долгого времени выполнения, что ограничивает количество итераций проектирования, которые инженеры могут реально выполнить.

Ускорение на GPU кардинально меняет эту ситуацию. Более быстрое время симуляции позволяет инженерам Alcyon оценивать более широкие пространства проектов, тестировать дополнительные рабочие условия и автоматизировать рабочие процессы оптимизации. Эта возможность особенно ценна при разработке передовых кремниевых фотонных интегральных схем для коммуникаций в центрах обработки данных, где даже небольшие улучшения производительности могут оказать существенное влияние на эффективность системы.

«Функция ускорения на GPU в Lumerical в сочетании с нашим графическим процессором NVIDIA RTX A5000 сократила время выполнения симуляций более чем в 8 раз по сравнению с 24-ядерным процессором (CPU). Это ускорение также сократило общие циклы разработки за счет минимизации количества тестовых масок (tape-outs), необходимых для достижения проверенной производительности устройств от партии к партии, сократив их всего до двух», — говорит Зотев. — «Это не только позволило нам ускорить разработку и оптимизацию отдельных фотонных блоков, но и сделало возможным применение методов симуляции и анализа, которые раньше отнимали слишком много времени».

Сочетая симуляцию, автоматизацию и вычисления на GPU, компания Alcyon может быстрее переходить от концепции к проверенному проекту, сохраняя при этом высокий уровень точности и надежности.

Ускорение фотоники для эпохи инфраструктуры ИИ

Поскольку инфраструктура ИИ продолжает масштабироваться, задача заключается уже не просто в добавлении дополнительных вычислительных мощностей. Эффективное перемещение растущих объемов данных между процессорами, ускорителями, памятью, хранилищами и сетями становится не менее важным. Фотоника будет играть все более важную роль в решении этой задачи. В то же время передовые симуляции, ускорение на GPU и доступ к масштабируемым вычислениям помогают фотонным компаниям исследовать более широкие пространства проектов и быстрее выводить эти технологии на рынок. iPronics и Alcyon Photonics демонстрируют, как эти две тенденции объединяются. Современная вычислительная инфраструктура ускоряет разработку фотонных технологий, от которых все больше зависит инфраструктура ИИ следующего поколения.

Узнайте больше об Ansys Lumerical, посетив нас на NVIDIA GTC Berlin на стенде № 7011.